FE-Ersatzmodelle für Fügepunkte mit nichtlinearem Steifigkeitsverhalten

Im heutigen Auslegungsprozess für Konstruktionen mit großen Dimensionen und hoher Komplexität des Schienenfahrzeugbaus und vergleichbarer Industriezweige werden bei der Betrachtung statischer Lastfälle sehr einfache Ersatzmodelle für Fügestellen verwendet, oftmals lediglich in Form eines Zusammenziehens von Knoten der zu verbindenden Bleche. Aufgrund der Restriktionen bezüglich der Berechnungsdauer von komplexen Strukturmodellierungen erfolgt zumeist eine rein linearelastische Betrachtung. Hiermit lassen sich nichtlineare Phänomene wie Verbinderrutschen, lokale Lastpfadumlagerung und bleibende Fügestellendeformation nicht abbilden. Ziel im vorliegenden Projekt ist die Erweiterung der heute eingesetzten Methodik zur Fügepunktersatzmodellierung, um die Abbildung von Nichtlinearitäten mechanisch gefügter punktförmiger Verbindungsstellen. Hiermit lässt sich die Genauigkeit bei der Berechnung von Großstrukturen deutlich steigern und im Ergebnis kann die Anzahl von aufwendigen Konstruktionsschleifen reduziert werden. Eine Schwierigkeit besteht in der Aufnahme korrekter Steifigkeitsverläufe zur Kalibrierung der nichtlinearen Ersatzmodelle. Im Projekt wurde für die untersuchten Fügeelemente Schließringbolzensysteme, Blindniete und Schraubverbindungen eine bestehende am IWU entwickelte Steifigkeitsmessmessmethode unter Verwendung von 2-Punkt-Proben eingesetzt. Hiermit lässt sich, verglichen mit konventionellen Messmethoden, deutlich plausibleres nichtlineares Steifigkeitsverhalten aufnehmen. Für die Auswahl einer geeigneten Fügestellen-Ersatzmodellierung wurden verschiedene Modelle in den FE-Software-Paketen Ansys, Nastran und LS-Dyna getestet und bewertet. Unter Berücksichtigung der Prämissen für die Modellierung im Projekt - geringer Rechenzeitbedarf, Stabilität, niedriger Modellerstellungsaufwand sowie nicht-ausschließliche Verfügbarkeit in allen eingesetzten Solvern - erfolgte die Festlegung einer Vorzugsvariante. Diese basiert auf einer nichtlinearelastischen Federelementkombination. Die Kalibrierung des Vorzugsmodells erfolgte anhand der umfangreichen experimentellen Untersuchungsmatrix für die 2-Punkt-Proben-Grundversuche. Die Auswertemethodik der 2-Punkt-Probenmessung wurde um die Einbeziehung des Traversenwegs erweitert, um eine verbesserte Abbildungsgenauigkeit für höhere Belastungen zu erreichen. In einem nächsten Schritt wurde die Fügestellen-Ersatzmodellierung auf 5-Punkt-Proben übertragen, um eine verglichen mit den Grundversuchen kombinierte komplexere Fügestellenbelastung abzubilden. Abschließend erfolgte die Übertragung der Ergebnisse auf eine im Projekt konstruierte Komplexprobengeometrie in L-Form mit 22 Fügestellen. Die Komplexprobe ermöglicht die Berücksichtigung von hochgradig nichtlinearen Wechselwirkungen der Fügestellen untereinander in Form von Lastumverteilungen. Es werden Methoden zur Steifigkeitsermittlung für Fügestellen und im Ergebnis Kennlinien für die nichtlineare Charakteristik der untersuchten mechanischen Fügepunktverbindungen bereitgestellt. Das Vorgehen bei der Kalibrierung der gewählten Ersatzmodellierung auf Basis der experimentell bestimmten Kennlinien wird im Detail erläutert. Die Übertragbarkeit der Methoden auf komplexe Probengeometrien ermöglicht einen Einsatz in der Großstrukturberechnung. Die Projektziele wurden sämtlich erreicht.